國(guó)產(chǎn)海底地震探測(cè)裝備技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

郝天珧, 游慶瑜*， 王元， 郭永剛, 丘學(xué)林, 黃松,徐亞, 趙春蕾, 張妍, 徐錫強(qiáng)

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029； 2.中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 4.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190； 5.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510301)

海洋面積占地球表面71%，合理開(kāi)發(fā)海洋、高效經(jīng)略海洋直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，同時(shí)海洋權(quán)益保護(hù)也是國(guó)家主權(quán)的焦點(diǎn)。巨厚的海水和復(fù)雜的海洋地質(zhì)環(huán)境，成為科學(xué)家認(rèn)識(shí)海底深部結(jié)構(gòu)、海盆構(gòu)造、邊緣海形成演化、海底擴(kuò)張等熱點(diǎn)地球科學(xué)問(wèn)題的屏障。地震學(xué)方法是目前研究地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)最為有效的方法之一，而海底地震儀(ocean bottom seismometer,OBS)則是能突破海水“屏障”并“看穿”海底結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵探測(cè)裝備。OBS是用于接收和記錄海底地震波的一種海洋地震觀測(cè)與勘探設(shè)備，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種海洋探測(cè)高新技術(shù)產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于海洋地質(zhì)構(gòu)造研究、海洋油氣資源探測(cè)與防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，也是海洋地球物理儀器與探測(cè)技術(shù)中的一個(gè)新亮點(diǎn)、新增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。

美國(guó)科學(xué)家于1938年公開(kāi)發(fā)表了首個(gè)獨(dú)立的OBS雛形[2]，并于1939—1940年開(kāi)展了測(cè)試[3]。首次試驗(yàn)成功后便開(kāi)始了間歇性投放應(yīng)用，直到20世紀(jì)50—60年代，隨著核爆監(jiān)測(cè)的需求，為達(dá)到監(jiān)測(cè)目的需要在海洋布設(shè)地震臺(tái)站，使得全球地震臺(tái)站位置均勻分布并覆蓋陸地和海洋[3]。自此開(kāi)始，美國(guó)推動(dòng)了“Vela Uniform Project”項(xiàng)目，海底地震儀的被動(dòng)源和主動(dòng)源觀測(cè)逐漸常態(tài)化[4]。20世紀(jì)80年代，研發(fā)成功面向?qū)嶋H海底觀測(cè)應(yīng)用的自沉浮式短周期海底地震儀[5]，并成為海底觀測(cè)的常規(guī)科考作業(yè)設(shè)備[6]。

通常OBS采用玻璃艙球作為耐壓防水和浮力材料，自身具有正浮力，投放前安裝沉藕架，在船上直接投放后OBS利用沉藕架重力下沉落至海底開(kāi)展觀測(cè)，觀測(cè)完成后在船上向海底OBS發(fā)送聲吶信號(hào)，OBS收到信號(hào)后自動(dòng)拋載沉藕架，基于自身正浮力上浮至海面供回收。這種儀器配備了短周期(short-period)檢波器(1～5 Hz)，自身配備的電池可供在海底連續(xù)工作數(shù)月。短周期OBS為20世紀(jì)80年代后期國(guó)際上開(kāi)始研發(fā)的寬頻帶海底地震儀奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。諸多國(guó)際科研機(jī)構(gòu)隨之均研發(fā)出不同型號(hào)的寬頻帶OBS，如日本東京大學(xué)、美國(guó)斯科利普斯海洋研究所、美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所和拉蒙特-多爾蒂地球觀測(cè)站等。寬頻帶OBS于20世紀(jì)90年代后期成功完成海試與應(yīng)用。自2000年開(kāi)始，美國(guó)三家科研機(jī)構(gòu)合力建成美國(guó)國(guó)際OBS庫(kù)(OBS instrument pool，OBSIP)，OBS設(shè)備統(tǒng)一管理和維護(hù)。

中國(guó)自20世紀(jì)90年代末開(kāi)啟了基于海底地震儀的海洋地球物理調(diào)查。1996年，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、中國(guó)海洋石油南海西部公司、海南省地震局與德國(guó)基爾大學(xué)聯(lián)合在南海鶯歌海盆地開(kāi)展了海陸聯(lián)合觀測(cè)。當(dāng)時(shí)中國(guó)自主研發(fā)的海底地震裝備尚屬空白，由德國(guó)基爾大學(xué)提供海底水聽(tīng)儀(ocean bottom hydrophone，OBH)，基于廣角地震反射/折射技術(shù)完成針對(duì)盆地地殼結(jié)構(gòu)的初步測(cè)量[7]。2001年8月，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所與廣東省地震局、中國(guó)臺(tái)灣海洋大學(xué)等單位合作，利用中國(guó)臺(tái)灣海洋大學(xué)提供的6臺(tái)三分量UTIG海底地震儀，在南海東北部開(kāi)展了針對(duì)深部結(jié)構(gòu)的海陸聯(lián)測(cè)[8]，不僅取得了很好的學(xué)術(shù)成果，也為國(guó)產(chǎn)OBS的誕生與應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

面對(duì)長(zhǎng)期中國(guó)缺乏海底地震儀設(shè)備的現(xiàn)狀和迫切需求，科技部、中國(guó)科學(xué)院等從21世紀(jì)初開(kāi)始推進(jìn)國(guó)產(chǎn)海底地震儀裝備的自主研發(fā)。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所通過(guò)數(shù)年持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，成功自主研發(fā)出中國(guó)首批可批量應(yīng)用的海底地震儀設(shè)備。現(xiàn)重點(diǎn)介紹國(guó)產(chǎn)海底地震儀研發(fā)過(guò)程中突破的系列關(guān)鍵技術(shù)，以及在深淵科考中的實(shí)際應(yīng)用成果。

1 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新突破

海底地震儀因投放在海底開(kāi)展長(zhǎng)期地震信號(hào)監(jiān)測(cè)，需攻克高壓海水、海底供能、海洋通訊、穩(wěn)定和高靈敏度傳感器、海底自主熔斷釋放等關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 數(shù)字調(diào)零寬帶地震傳感技術(shù)

海底地震儀采用自主沉浮設(shè)計(jì)，海面投放至海底后自動(dòng)采集存儲(chǔ)地震信號(hào)，且長(zhǎng)期無(wú)人值守。為采集到高分辨率海底地震信號(hào)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期留海觀測(cè)與數(shù)據(jù)采集工作，需穩(wěn)定且靈敏度較高的地震計(jì)。對(duì)此，海底高信噪比數(shù)據(jù)采集面臨三大難點(diǎn)：①需長(zhǎng)期穩(wěn)定的地震傳感器器件，地震計(jì)元器件因老化等因素，會(huì)降低地震計(jì)的穩(wěn)定性、靈敏度等核心指標(biāo)參數(shù)；②大傾角采集，因OBS自主下落至海底著陸，著陸點(diǎn)不可控，且海洋存在洋中脊、俯沖帶、海山等復(fù)雜地形，無(wú)法保證每次著陸點(diǎn)均是平坦的，解決該實(shí)際條件的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)能適應(yīng)大傾角采集的寬頻帶地震計(jì)，保證儀器在傾斜角度較大的狀態(tài)下仍能正常工作；③寬頻帶響應(yīng)，為采集深部地幔甚至地核、地球自由振蕩等超低頻信號(hào)(240～10 S)，同時(shí)兼顧近震的中高頻信號(hào)(1～10 Hz)，保證地震計(jì)的寬頻帶響應(yīng)和多方法應(yīng)用需求。

針對(duì)上述三大技術(shù)難題，提出了三大關(guān)鍵技術(shù)加以解決。

(1)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)元三維模擬加工工藝關(guān)鍵技術(shù)解決器件穩(wěn)定性難題，針對(duì)傳統(tǒng)地震計(jì)中采用的銅、鎳、合金材料等容易老化問(wèn)題，采用新型符合材料延緩材料老化、提升材料穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)所有結(jié)構(gòu)器件的前期三維數(shù)字化模擬，確定各材料成分配比關(guān)系，兼顧器件性能最優(yōu)和穩(wěn)定性最高。

(2)基于傾角限位精細(xì)化數(shù)字調(diào)零技術(shù)解決大傾角采集難題，傳統(tǒng)海底地震儀的檢波器允許傾斜角度為±5°(一般是2.5°，5°會(huì)有很大的失真)，需采用常平架進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，這樣會(huì)帶來(lái)4個(gè)問(wèn)題：一是地震計(jì)與海底的耦合要受到常平架的影響，附加額外的噪聲干擾；二是增加儀器故障率，可能由于常平架卡死導(dǎo)致儀器記錄到無(wú)效數(shù)據(jù)；三是常平架允許調(diào)整角度影響了儀器最大工作角度；四是常平架占據(jù)了海底地震儀艙內(nèi)很大體積，減少了內(nèi)部電池布放數(shù)量進(jìn)而降低儀器留海工作周期，對(duì)此采用電位器釋放高電壓驅(qū)動(dòng)高角度數(shù)字調(diào)零。

(3)基于深度負(fù)反饋低頻數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)解決寬頻帶響應(yīng)難題，海底地震儀觀測(cè)頻帶下限取決于地震計(jì)工作阻尼常數(shù)和工作周期，需依據(jù)觀測(cè)地震波頻段選擇地震器工作參數(shù)(固有周期和阻尼系數(shù))，以期獲得所需最佳信噪比振動(dòng)信號(hào)，先后有地震計(jì)負(fù)反饋環(huán)節(jié)是一個(gè)淺反饋環(huán)，由淺反饋環(huán)生成工作周期和工作阻尼與反饋電路參數(shù)、機(jī)械擺參數(shù)相關(guān)，影響這兩個(gè)工作參數(shù)參與部件繁多，長(zhǎng)期工作中極難有效控制老化產(chǎn)生的漂移。

為解決地震計(jì)反饋式短周期檢波器工作參數(shù)穩(wěn)定的問(wèn)題，采用加大負(fù)反饋環(huán)的反饋深度，該方法同時(shí)會(huì)造成反饋生成的閉環(huán)周期遠(yuǎn)大于所需工作周期，因此將采用函數(shù)變換的新思路來(lái)設(shè)計(jì)速度傳感反饋式寬頻帶地震計(jì)。該方法的要點(diǎn)是保持機(jī)械擺的固有頻率不變，以確保檢波器自身噪聲水平恒定，通過(guò)加大反饋深度來(lái)提高工作參數(shù)穩(wěn)定性。因加大反饋深度后生成的閉環(huán)周期和閉環(huán)阻尼不是地震計(jì)所需的最終參數(shù)，僅為中間過(guò)渡參數(shù)。在閉環(huán)反饋環(huán)外通過(guò)函數(shù)變換電路消去該過(guò)渡的閉環(huán)周期和阻尼，并同時(shí)生成了地震計(jì)的工作周期與阻尼。

1.2 全海深陶瓷壓電水聽(tīng)傳感技術(shù)

圖1 自主研發(fā)的中低頻系列水聽(tīng)計(jì)Fig.1 Self-developed low-frequency series hydrophone photos

針對(duì)深海四分量地震儀設(shè)備，配備有三分量地震計(jì)和一分量水聽(tīng)計(jì)，而深水水聽(tīng)計(jì)(深度>1 000 m)長(zhǎng)期面臨禁運(yùn)。深海海底地震儀需要研制深海水聽(tīng)計(jì)，面臨水聽(tīng)計(jì)需超強(qiáng)耐壓、高靈敏度和經(jīng)久耐用三大難題。對(duì)此，通過(guò)穩(wěn)定鐵電疇與高致密度的陶瓷材料技術(shù)、全陶瓷封裝與串并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和高阻水透聲新型聚氨酯橡膠包覆技術(shù)解決上述3個(gè)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了用于海底地震儀中低頻的萬(wàn)米級(jí)全陶瓷壓電水聽(tīng)計(jì)設(shè)備(圖1右側(cè)深紅色)。水聽(tīng)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：靈敏度-190 dB(re1V/μPa)、體積Φ35×90 mm、頻帶DC-10kHz、最大工作水深12 000 m。

1.3 軟硬協(xié)同優(yōu)化低功耗采集技術(shù)

海底地震儀不同于其他海洋探測(cè)裝備的特征之一是需長(zhǎng)期留底觀測(cè)，以記錄更多的天然地震事件供后期深部結(jié)構(gòu)成像使用。因海底供能難題，為實(shí)現(xiàn)大于6個(gè)月甚至長(zhǎng)達(dá)15個(gè)月的留海觀測(cè)，在OBS的有限玻璃艙球內(nèi)裝配的電池容量有限，只有突破低功耗采集技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)OBS長(zhǎng)期留海觀測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)低功耗采集，硬件上選取無(wú)源傳感器，地震計(jì)、水聽(tīng)計(jì)均采用無(wú)源設(shè)計(jì)(即無(wú)需供能的機(jī)械式地震計(jì)和陶瓷壓電式水聽(tīng)計(jì))。第二步在軟件方面攻克了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)、驅(qū)動(dòng)中斷控制和高效存儲(chǔ)三個(gè)難點(diǎn)?；谏疃惹度隡CU分項(xiàng)處理控制技術(shù)有效解決嵌入式軟件低功耗運(yùn)行難題；基于硬件中斷的任務(wù)協(xié)同處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)中斷，在留海觀測(cè)期間關(guān)閉交互、數(shù)傳等驅(qū)動(dòng)模塊、保留采集模塊所需驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步降低功耗；基于堆棧等待的分時(shí)內(nèi)存寫(xiě)卡技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效、低功耗存儲(chǔ)。自主研發(fā)的長(zhǎng)周期海底地震儀與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，功耗由1 W降低至0.25 W，留海觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)同比提升3倍。

1.4 全海深高可靠性回收技術(shù)

海底地震儀的長(zhǎng)期留海觀測(cè)需求除了對(duì)低功耗采集要求苛刻外，如何保證長(zhǎng)期留海觀測(cè)結(jié)束后能正常從海底釋放并成功回收，是海底地震儀面臨的決定性考驗(yàn)。無(wú)法釋放、回收失敗則意味著該臺(tái)站所記錄的長(zhǎng)期被動(dòng)源地震數(shù)據(jù)丟失，對(duì)科研是巨大損失。如何保證長(zhǎng)期留海觀測(cè)后仍能實(shí)現(xiàn)高可靠性回收是一大技術(shù)難題。

高可靠性回收依賴(lài)于全海深耐壓防水、萬(wàn)米聲學(xué)通訊和穩(wěn)定釋放三大關(guān)鍵點(diǎn)。海底地震儀采用玻璃艙球?yàn)楦×Σ牧?，通過(guò)半球結(jié)構(gòu)多圈層膠合固壓加工工藝將兩個(gè)半球封裝成為一個(gè)整球，工藝水平直接決定了玻璃艙球的整體耐壓防水程度。海底地震儀通過(guò)聲學(xué)通訊實(shí)現(xiàn)由海面船舶至海底儀器之間的通訊，解決多信道多頻譜Goertzel水聲偵聽(tīng)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)全海深聲學(xué)通訊的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。基于電化學(xué)熔斷的機(jī)械脫鉤技術(shù)可有效解決長(zhǎng)期留海后的OBS穩(wěn)定釋放難題(圖2)。

圖2 穩(wěn)定機(jī)械釋放與脫鉤部件設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of stable mechanical release and decoupling components

1.5 性能指標(biāo)

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在多年持續(xù)科技攻克基礎(chǔ)上，逐步突破上述四大關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了系列海底地震儀(統(tǒng)稱(chēng)為IGG-OBS)，包括6 000米級(jí)便攜式海底地震儀、9 000米級(jí)寬頻帶海底地震儀和萬(wàn)米級(jí)海底地震儀。系列關(guān)鍵技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用至組合式海底地震儀(OBN，又稱(chēng)為海底地震節(jié)點(diǎn)),如圖3所示。具體如表1所示。

圖3 研制的海底地震節(jié)點(diǎn)實(shí)拍圖Fig.3 Photograph of IGG developed OBN

表1 寬頻帶IGG-OBS設(shè)備指標(biāo)

2 IGG-OBS應(yīng)用研究進(jìn)展

自2010年IGG-OBS研制成功后，迅速在中國(guó)各海洋研究單位開(kāi)展了應(yīng)用，得到了中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所、自然資源部第二海洋研究所等單位的大力支持。作為前期為IGG-OBS的重點(diǎn)海試應(yīng)用，他們不僅為國(guó)產(chǎn)儀器的誕生、改進(jìn)提供了大量的建設(shè)性意見(jiàn)，更是成為自主研發(fā)儀器的首批試用者，為IGG-OBS后期能夠?qū)嶋H應(yīng)用做出巨大貢獻(xiàn)。研制、海試、改進(jìn)、再海試、再次改進(jìn)的環(huán)節(jié)為其走向?qū)嵱没於藞?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

自2010年至今，IGG-OBS已為中外大于15家涉海單位提供了儀器支撐，科學(xué)研究足跡遍布中國(guó)四大海域、西太平洋、印度洋、里海、蘇拉威西海、冰島及極地等海域，投放共計(jì)1 425臺(tái)次。其中，僅2017年一年投放海底地震儀299臺(tái)次，具體如圖4所示。為全球視野科學(xué)問(wèn)題研究提供了技術(shù)支撐。

IGG-OBS的綜合回收率大于90%，達(dá)到國(guó)際同等回收率，市場(chǎng)占有率目前已達(dá)93%，并同步帶動(dòng)中國(guó)多個(gè)企業(yè)廠家實(shí)現(xiàn)OBS關(guān)鍵核心部件技術(shù)突破(如玻璃艙球、接插件、換能器等)。

2.1 IGG-OBS在海底殼幔結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用

廣角地震反射/折射地震剖面探測(cè)方法是獲取地質(zhì)單元深部構(gòu)造特征的關(guān)鍵手段。因海水存在、傳統(tǒng)陸地地震儀無(wú)法布設(shè)的技術(shù)限制，中國(guó)諸多地震探測(cè)剖面均止于海域，限制了海底深部構(gòu)造對(duì)整體大地構(gòu)造的約束及二者關(guān)聯(lián)的全面認(rèn)知。為此，常采用陸地布設(shè)流動(dòng)地震臺(tái)站、海域布設(shè)OBS臺(tái)站，陸地炸藥震源激發(fā)、海域大容量氣槍震源激發(fā)的作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)海陸地震聯(lián)測(cè)剖面測(cè)量。IGG-OBS的成功研發(fā)，對(duì)中國(guó)海陸聯(lián)測(cè)探測(cè)及海洋深地震探測(cè)做出巨大貢獻(xiàn)，不僅改變了中國(guó)只能依賴(lài)國(guó)外OBS儀器完成探測(cè)的現(xiàn)狀，推動(dòng)了中國(guó)自主規(guī)劃執(zhí)行海陸聯(lián)測(cè)與海洋深地震剖面的進(jìn)程，也為中國(guó)近海深部殼幔結(jié)構(gòu)探測(cè)提供了關(guān)鍵儀器支撐。

1996年，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所等單位在鶯歌海盆地與海南島之間完成兩條共長(zhǎng)330 km的海陸地震聯(lián)測(cè)剖面[7]。海底設(shè)備采用德方提供的OBH，但測(cè)線(xiàn)1因臺(tái)風(fēng)和漁船干擾，只有1/3的OBH記錄到有效數(shù)據(jù)。但這也成功開(kāi)啟了中國(guó)海陸聯(lián)測(cè)的征程，隨后在中國(guó)南海、渤海、黃海、東海四大海域開(kāi)展了多條海陸地震聯(lián)測(cè)。該時(shí)段所用海底地震儀均為進(jìn)口設(shè)備(圖5中黑線(xiàn))。

圖5 IGG-OBS歷年在南海應(yīng)用的測(cè)線(xiàn)圖Fig.5 The historical survey lines of IGG-OBS in the South China Sea

隨著IGG-OBS設(shè)備的成功研發(fā)，自2010年開(kāi)始在多個(gè)海洋地震剖面探測(cè)中使用部分國(guó)產(chǎn)OBS儀器、部分進(jìn)口OBS儀器。如南海的OBS2010-2剖面(圖5中橙線(xiàn))、渤海海陸聯(lián)測(cè)剖面[9]。在完全獲得作業(yè)成功驗(yàn)證基礎(chǔ)上，2011年在南海東部次海盆投放52臺(tái)IGG-OBS開(kāi)展三維深部結(jié)構(gòu)探測(cè)(圖5中3D2011)，作業(yè)深度達(dá)4 000 m，100%的回收率對(duì)IGG-OBS作業(yè)能力的再次驗(yàn)證與肯定。自此開(kāi)始，IGG-OBS便在多個(gè)海洋調(diào)查航次中發(fā)揮作用(圖5中紅線(xiàn))，成為中國(guó)海洋深部結(jié)構(gòu)探測(cè)的關(guān)鍵裝備與技術(shù)[10-11]。

2.2 萬(wàn)米OBS挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)者深淵

Anton Bruun教授1956年首次提出Hadal Trench，漢譯為“海斗深淵”(簡(jiǎn)稱(chēng)深淵)，定義為海水深度大于6 000 m的海溝區(qū)域[12]。全球共有37條海斗深淵，5條在大西洋、4條在印度洋、其余28條均位于太平洋。海斗深淵海底面積僅只占全球海洋總面積的1% ～2%，但是卻代表了海洋底部至45%的深度范圍，是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[13]。深淵海底因壓力大、溫度低、黑暗無(wú)光、構(gòu)造活躍，形成非常獨(dú)特的極端環(huán)境區(qū)，兩百多年以來(lái)一直是國(guó)際海洋科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)區(qū)域。然而受限于其超水深、超高壓、科研儀器以及技術(shù)條件的不足，對(duì)深淵區(qū)的地球科學(xué)、生物科學(xué)等研究難以深入，海斗深淵長(zhǎng)期被視為人類(lèi)的“禁區(qū)”。2014年4月10日，中國(guó)科學(xué)院正式啟動(dòng)了“海斗深淵前沿科技問(wèn)題研究與攻關(guān)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(B類(lèi))，首席專(zhuān)家由國(guó)際深?？萍碱I(lǐng)域知名學(xué)者丁抗教授擔(dān)任[14]。

2016年6月22日—8月22日，該專(zhuān)項(xiàng)承擔(dān)單位組成的首批深淵科考隊(duì)搭乘探索一號(hào)科考船，前往挑戰(zhàn)者深淵開(kāi)啟首次萬(wàn)米深淵科考之旅，航次編號(hào)TS01。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所參航隊(duì)員負(fù)責(zé)航次海底地震儀作業(yè)，在挑戰(zhàn)者深淵西側(cè)開(kāi)展首條橫跨挑戰(zhàn)者深淵、由9臺(tái)OBS組成的海洋人工地震剖面測(cè)線(xiàn)，OBS最大作業(yè)深度7 700 m，是截至當(dāng)時(shí)IGG-OBS的最大投放深度，是對(duì)深水OBS裝備技術(shù)首次大水深海底作業(yè)的綜合考量。OBS投放間距15 km，氣槍激發(fā)總?cè)萘繛? 000 in3(1 in=2.54 cm),作業(yè)炮線(xiàn)總長(zhǎng)160.92 km(圖6中2016 OBS Line)。最終，投放的9臺(tái)OBS全部成功回收，數(shù)據(jù)完整率100%。完成主動(dòng)源剖面作業(yè)后，投放了3臺(tái)寬頻帶IGG-OBS用于開(kāi)展長(zhǎng)期海底天然地震和背景噪聲的被動(dòng)源地震觀測(cè)(圖6中2016 POBS)，于7個(gè)月后成功回收2臺(tái)。該航次對(duì)IGG-OBS在深淵海底高壓環(huán)境下的玻璃艙球密封、大水深聲學(xué)通訊、機(jī)械釋放脫鉤等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分驗(yàn)證，為后續(xù)萬(wàn)米級(jí)海底地震儀研發(fā)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

圖6 IGG-OBS在挑戰(zhàn)者深淵的投放點(diǎn)位及測(cè)線(xiàn)Fig.6 The IGG-OBS deployment positions and survey lines in the Challenger Deep

2017年1月15日—3月23日，在TS01航次回航不到半年的時(shí)間，海斗專(zhuān)項(xiàng)又實(shí)施了第二次深淵科考，航次編號(hào)TS03，開(kāi)啟了國(guó)產(chǎn)OBS真正踏入萬(wàn)米深淵大門(mén)之旅。本航次共攜帶了50臺(tái)IGG-OBS儀器，包含5臺(tái)萬(wàn)米級(jí)OBS。緊挨2016 OBS Line，在挑戰(zhàn)者深淵中部完成兩條橫跨海溝的海洋人工地震剖面測(cè)線(xiàn)(圖6中2017OBS Line)，共投放60臺(tái)次OBS，包括41臺(tái)次6 000米級(jí)OBS[圖7(a)]、12臺(tái)次9 000米級(jí)OBS[圖7(b)]和7臺(tái)次萬(wàn)米級(jí)OBS[圖7(c)]，最終成功回收56臺(tái)次，總體回收率達(dá)到93%以上；丟失的4臺(tái)OBS中，2臺(tái)是6 000米級(jí)、2臺(tái)是萬(wàn)米級(jí)，以6 000 in3大容量氣槍放炮670 km。后續(xù)數(shù)據(jù)處理和檢查表明主動(dòng)源剖面測(cè)線(xiàn)OBS記錄的數(shù)據(jù)完整、質(zhì)量良好。該航次是萬(wàn)米級(jí)IGG-OBS的首秀，其成功回收(圖7)標(biāo)志著中國(guó)成為具日本后第二個(gè)具備研制萬(wàn)米級(jí)海底地震儀的國(guó)家。完成世界首條橫跨挑戰(zhàn)者深淵的海洋人工地震剖面測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)覆蓋了輸入板塊、海溝、前緣隆起、弧后裂谷等整個(gè)俯沖系統(tǒng)構(gòu)造單元，為中國(guó)深淵俯沖系統(tǒng)地震學(xué)成像研究提供了第一手?jǐn)?shù)據(jù)。同期投放了6臺(tái)被動(dòng)源OBS開(kāi)展了為期半年的被動(dòng)源觀測(cè)。圖6中橙色圓圈為中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所“馬溝計(jì)劃”投放的5臺(tái)被動(dòng)源OBS，結(jié)合海斗專(zhuān)項(xiàng)2016—2018年度先后投放的被動(dòng)源OBS，合計(jì)共獲得18個(gè)站位的被動(dòng)源OBS數(shù)據(jù)。

圖7 馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵IGG-OBS現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖Fig.7 The IGG-OBS fieldwork photos in the Challenger Deep, Mariana Trench

Zhu等[15]利用該批被動(dòng)源OBS數(shù)據(jù)開(kāi)展了挑戰(zhàn)者深淵及鄰區(qū)近震事件識(shí)別與重定位研究，發(fā)現(xiàn)在短短近7個(gè)月的OBS記錄時(shí)間段內(nèi)，該區(qū)近震達(dá)7 000余次，遠(yuǎn)大于基于全球地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)的USGS地震目錄數(shù)量(僅102次)。若僅依據(jù)USGS地震目錄數(shù)據(jù)，會(huì)得出挑戰(zhàn)者深淵俯沖系統(tǒng)少震這一論斷，這有悖于俯沖系統(tǒng)多震的地質(zhì)事實(shí)，而被動(dòng)源OBS的觀測(cè)結(jié)果表明該區(qū)俯沖系統(tǒng)為多震。Zhu等[16]基于該批數(shù)據(jù)開(kāi)展了背景噪聲成像研究，獲得了該區(qū)SV速度剖面，在輸入的太平洋板塊靠近海溝位置25 km深度內(nèi)發(fā)現(xiàn)大片低速異常區(qū)(3.6～4.1 km/s)，表明輸入板塊上地幔廣泛水化。而弧前地區(qū)SV波速降低不明顯，推測(cè)該區(qū)蛇紋石化程度較低。

2.3 IGG-OBS應(yīng)用于實(shí)時(shí)海底地震觀測(cè)臺(tái)陣

在海底如何布設(shè)實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期地震觀測(cè)臺(tái)站是全世界致力解決的難題。自2018年開(kāi)始，成功基于IGG-OBS發(fā)展了線(xiàn)纜式海底地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)技術(shù)，并在福建浯嶼島實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。通過(guò)海底光電復(fù)合纜的光電傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海底長(zhǎng)期供能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速傳輸。該實(shí)時(shí)觀測(cè)臺(tái)陣已經(jīng)具備接入中國(guó)地震局JOPENS系統(tǒng)的能力，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸格式與存儲(chǔ)格式符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試運(yùn)行期間以99%以上的高運(yùn)行率達(dá)到國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)管理規(guī)定的優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)[17]。

3 未來(lái)發(fā)展

IGG-OBS自成功研發(fā)至批量應(yīng)用，特別是作為中國(guó)首批萬(wàn)米深淵科考儀器設(shè)備，為海洋深地震探測(cè)提供關(guān)鍵儀器支撐。未來(lái)IGG-OBS的發(fā)展主要集中在儀器關(guān)鍵部件技術(shù)優(yōu)化、儀器總體國(guó)產(chǎn)化率提升和拓寬儀器應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)方面。

(1)關(guān)鍵部件優(yōu)化主要內(nèi)容為：①進(jìn)一步擴(kuò)寬地震計(jì)低頻頻帶范圍，以適用于更低頻的核幔邊界探測(cè)。目前IGG-OBS應(yīng)用的電容換能式地震計(jì)低頻截止60 S，且已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，目前正在攻關(guān)低頻至120 S和240 S的電容換能地震計(jì)，有望在近兩年開(kāi)始試驗(yàn)驗(yàn)證并開(kāi)始批量應(yīng)用；②優(yōu)化調(diào)整儀器整體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有IGG-OBS地震計(jì)集成在玻璃艙球內(nèi)部，經(jīng)沉藕架連接后與海底耦合，現(xiàn)有60 S級(jí)地震計(jì)可滿(mǎn)足海底耦合需求，但隨著低頻地震計(jì)的研發(fā)和應(yīng)用，需優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足地震計(jì)與海底強(qiáng)耦合關(guān)系。

(2)儀器總體國(guó)產(chǎn)化率提升主要內(nèi)容包括：①提升儀器采集板芯片國(guó)產(chǎn)化率，芯片是目前OBS內(nèi)部唯一仍未國(guó)產(chǎn)化的部件，這與整體工業(yè)水平密切關(guān)聯(lián)，需按照成熟一個(gè)替換一個(gè)的步驟逐步推進(jìn)，非一日之功便可完成國(guó)產(chǎn)芯片替代；如GD32系列微功耗單片機(jī)替換STM32單片機(jī)OBS作為控制核心將會(huì)很快實(shí)現(xiàn)；②萬(wàn)米級(jí)換能器和玻璃艙球，作為OBS的回收和耐壓防水關(guān)鍵部件，目前仍是依賴(lài)進(jìn)口，盡管中國(guó)已研制成功萬(wàn)米級(jí)玻璃球艙并通過(guò)3 d的萬(wàn)米級(jí)海試驗(yàn)證，距離批量應(yīng)用仍有一段距離。

(3)目前IGG-OBS的應(yīng)用主要集中在科研領(lǐng)域，海洋油氣資源勘探、海洋地質(zhì)工程等方面應(yīng)用相對(duì)偏少。隨著Scholte波探測(cè)和海底地聲探測(cè)方法技術(shù)的日臻完善，可以預(yù)見(jiàn)IGG-OBS在海洋地質(zhì)工程等領(lǐng)域大放異彩的未來(lái)已并不遙遠(yuǎn)了。